Rolls-Royce/Snecma Olympus 593

L'Olympus fut d'abord un moteur de bombardier. À la fin des années 1940, la Bristol Aeroplane Company proposa un bombardier à réaction répondant au programme qui donna finalement le Vulcan et le Victor, et sa division moteurs conçut pour lui un nouveau turboréacteur, le B.E.10. Le bombardier ne fut pas construit, mais l'architecture double corps du moteur, un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, chacun sur son arbre et entraîné par sa propre turbine, retint l'attention de l'Air Ministry. Le premier moteur tourna le 16 mai 1950 sous la direction de Stanley Hooker, nouveau directeur technique de Bristol, et fournit 10 000 lbf dès sa première accélération à pleine puissance.

L'Olympus entra en service sur l'Avro Vulcan, d'abord en version Mk 101, puis, redessiné pour une poussée bien supérieure, dans la série 200. Un Canberra équipé des premiers Olympus établit des records mondiaux d'altitude en 1953 et en 1955. La série 300 ajouta un étage de compresseur pour augmenter le débit d'air et, en 1962, Bristol Siddeley, né en 1959 de la fusion de la branche moteurs de Bristol avec Armstrong Siddeley, remporta la motorisation du TSR-2 avec l'Olympus 22R, désigné Mk 320 par la RAF. Il développait 19 610 lbf à sec et 30 610 lbf avec postcombustion, et il était conçu pour tenir Mach 2,2 en vol prolongé.

Olympus 320

Cette dernière exigence en faisait le point de départ évident d'un avion de ligne supersonique. Les ingénieurs qui préparaient Concorde étudièrent des turbosoufflantes aussi bien que des turboréacteurs, mais la section frontale plus grande d'une turbosoufflante signifiait davantage de traînée à Mach 2, et un supersonique transatlantique vivait ou mourait de son rendement en croisière. Rolls-Royce proposa un moteur entièrement nouveau, le RB.169, mais développer une conception inédite pour un seul avion aurait coûté très cher, alors que l'Olympus 320 existait déjà et tournait dans le programme TSR-2. Un dérivé civil fut esquissé sous le nom d'Olympus 591, puis retravaillé pour devenir le 593, dont la spécification fut arrêtée le 1er janvier 1964.

Le TSR-2 fut annulé en 1965, laissant Concorde comme seul avenir supersonique de l'Olympus. Le choix du turboréacteur fut ensuite conforté par le concurrent soviétique : le Tupolev Tu-144 vola d'abord avec des turbosoufflantes à postcombustion, qui en exigeaient l'usage en croisière, et son moteur ultérieur, un turboréacteur sans postcombustion, améliora considérablement ses performances.

Sur le plan mécanique, l'Olympus 593 conservait l'architecture qui était celle de l'Olympus depuis 1950. L'air traversait un compresseur basse pression à sept étages puis un compresseur haute pression à sept étages, chacun sur son arbre et entraîné par une turbine mono-étage. Entre les deux se trouvait une chambre de combustion annulaire en alliage de nickel, alimentée par seize brûleurs à vaporisation à double sortie. Dans le Mk 610 de série, le moteur mesurait environ 13,3 ft de long pour 3,97 ft de diamètre et pesait près de 7 000 lb à sec.

Ce qui changeait, c'était la température. Le compresseur d'un avion de ligne subsonique aspire l'air froid de la haute altitude ; celui de Concorde recevait un air déjà ralenti depuis deux fois la vitesse du son dans l'entrée d'air, qui atteignait la face du moteur à plus de 120 °C en croisière à Mach 2. Une fois comprimé, il était si chaud que les matériaux habituels ne suffisaient plus. Les tambours et les aubes du compresseur étaient en titane, mais les quatre derniers étages du compresseur haute pression étaient en Nimonic 90, un alliage de nickel qu'on ne trouve d'ordinaire que dans la turbine.

La turbine elle-même était refroidie : les aubes fixes et mobiles de la turbine haute pression et les aubes mobiles de la turbine basse pression étaient toutes refroidies intérieurement, ce qui permettait au métal de résister à un flux gazeux bien plus chaud que dans le compresseur. Derrière le dernier étage de turbine, des aubes de redressement réorientaient l'écoulement avant son entrée dans le canal de postcombustion.

Au sol, le taux de compression propre du moteur était d'environ 15,5 pour 1, pour un débit d'air d'environ 410 lb par seconde. En croisière, les compresseurs apportaient moins (environ 11,3 pour 1, l'air arrivant déjà chaud) mais l'entrée d'air placée devant eux ajoutait sa propre compression, et ensemble ils donnaient à l'ensemble propulsif un taux de compression global d'environ 82 pour 1.

Le moteur était conçu pour une vie d'avion de ligne. Ses principaux éléments avaient une durée de vie nominale de 25 000 heures, les aubes de compresseur et de turbine de 10 000 heures ; la tuyère primaire et le canal d'éjection étaient prévus pour 30 000 heures et la structure arrière d'inversion de poussée pour 40 000. Un moteur installé pouvait être déposé et remplacé sur l'avion en 1 heure 50 minutes.

Tout turboréacteur échange le bruit et l'économie à basse vitesse contre un jet étroit et rapide, et l'Olympus 593 poussait ce compromis plus loin que tout autre moteur d'avion de ligne de son époque. Les chiffres du Jane's pour le Mk 610 donnent une consommation spécifique de 1,195 livre de carburant par livre de poussée et par heure en croisière supersonique, et de 1,39 au niveau de la mer. Pour l'avion complet à Mach 2 et à 60 000 ft, cela représentait environ 4 800 US gal à l'heure.

En croisière, ce carburant achetait de la vitesse, et le rendement de l'ensemble propulsif à Mach 2 était excellent. Rapporté au passager, en revanche, Concorde ne pouvait rivaliser avec les gros-porteurs. À pleine charge, il parcourait environ 15,8 miles-passager par gallon américain, contre 33,3 pour un Boeing 707, 46,4 pour un Boeing 747 et 53,6 pour un McDonnell Douglas DC-10. Lorsque survint le choc pétrolier de 1973, au moment où les compagnies devaient confirmer ou non leurs options sur Concorde, cette comparaison pesa lourdement contre l'avion.

Le bruit fut le problème le plus visible, et il avait deux sources distinctes. Le bang supersonique découlait du simple fait de voler plus vite que le son, et il cantonna le vol supersonique de Concorde au-dessus de la mer ; plusieurs pays, dont les États-Unis, refusèrent le survol supersonique. Le bruit au voisinage des aéroports venait des moteurs, et ce fut le seul problème que les essais de développement ne résolurent jamais complètement. La Snecma fit de réels progrès dans la conception des silencieux au cours du programme, mais en 1974 les silencieux à palettes plongeant dans le jet étaient jugés inefficaces, même si l'on s'attendait encore à ce que les avions mis en service respectent leurs garanties acoustiques.

La bataille des droits d'atterrissage à New York fit de Concorde le symbole d'un débat plus large sur le bruit des avions, et elle conduisit directement à un programme général de réduction du bruit à l'aéroport John F. Kennedy. Dans les faits, beaucoup trouvèrent l'avion moins bruyant qu'ils ne le craignaient, en partie parce que les pilotes réduisaient brièvement la poussée en survolant les zones habitées. Le remède durable (un moteur sans postcombustion, au jet plus lent et plus silencieux) était le Mk 622, et il ne fut jamais construit.

Concorde fut construit en vertu d'un traité, et non d'un contrat. Les gouvernements britannique et français signèrent l'accord le 29 novembre 1962, à une époque où la Grande-Bretagne cherchait à entrer dans la Communauté économique européenne, et, à la demande britannique, il prévoyait de lourdes pénalités pour la partie qui se retirerait. Cellule et moteurs furent répartis entre les deux pays dès le départ, et ce partage était autant politique qu'industriel : la France prenant la plus grande part de la cellule, la Grande-Bretagne prit la plus grande part de la propulsion.

Côté moteur, Bristol Siddeley avait la charge de l'Olympus lui-même et de ses équipements. La Snecma, motoriste d'État français, prit en charge le système d'éjection, la tuyère variable, l'inverseur de poussée, les travaux d'atténuation du bruit et la postcombustion, qui ne figurait pas du tout dans le projet initial. La British Aircraft Corporation, partenaire britannique pour la cellule, conçut l'entrée d'air variable et l'intégration d'ensemble du moteur. Les deux motoristes collaboraient au même moment sur une turbosoufflante plus petite et sans rapport, le M45H.

Les essais étaient répartis entre les deux pays. Bristol Siddeley faisait tourner les moteurs à Patchway, à côté de l'usine de Filton ; le National Gas Turbine Establishment de Pyestock fournissait des bancs d'essai ; et en France, le Centre d'essais des propulseurs de Saclay faisait fonctionner le moteur dans ses caissons d'altitude, tandis que l'usine Snecma de Melun-Villaroche fit tourner le premier moteur complet avec son système d'éjection.

En 1966, Rolls-Royce racheta Bristol Siddeley et en fit sa Bristol Engine Division. Le nom du moteur suivit ce changement, le Bristol Siddeley-Snecma Olympus devint le Rolls-Royce/Snecma Olympus 593, mais l'équipe, le site et le programme restèrent en place. Certaines plaques de nacelle portaient encore l'ancienne mention, associant l'insigne Rolls-Royce au nom Bristol-Snecma.

L'Olympus 593 emporta Concorde dans les airs pour la première fois le 2 mars 1969, lorsque le prototype 001 décolla de Toulouse aux mains d'André Turcat, chef pilote d'essais de Sud Aviation. Postcombustion allumée, il quitta le sol à 205 kt après une course d'environ 0,8 nm. Les essais moteurs qui précédèrent ce vol comprirent des points fixes du 001 sur la piste de Blagnac en décembre 1968.

Sept années d'essais en vol et de certification suivirent. La plupart des difficultés initiales de l'ensemble propulsif : pompages lors des manœuvres à Mach 2, interaction entre moteurs voisins, programmation conjointe de l'entrée d'air et du moteur : furent réglées par des modifications matérielles et des lois de régulation de l'entrée d'air et du moteur. Le bruit au voisinage des aéroports resta l'exception.

Concorde entra en service régulier chez Air France et British Airways le 21 janvier 1976, au départ de Paris et de Londres. Au fil des années, les compagnies le firent voler notamment vers New York, Washington, Rio de Janeiro, Caracas, Bahreïn, Miami et la Barbade, et British Airways finit par rendre le service rentable en le positionnant comme un produit haut de gamme.

Entre les mains des compagnies, l'Olympus était un moteur mûr et non une expérience. Ses durées de vie nominales étaient longues pour un moteur supersonique, et la possibilité de changer un moteur sur l'avion en moins de deux heures comptait beaucoup pour des flottes de quelques appareils chacune, où un seul avion immobilisé représentait une large part du programme.

La flotte ne s'agrandit jamais. Seules Air France et British Airways prirent livraison d'appareils, et l'Olympus 593 resta, pendant toute sa vie commerciale, le moteur d'un seul type d'avion exploité par deux compagnies.

Le 25 juillet 2000, le Concorde F-BTSC d'Air France s'écrasa à Gonesse peu après son décollage de Paris-Charles-de-Gaulle. Les 109 personnes à bord et quatre personnes au sol furent tuées. L'enquête fut conduite par le Bureau d'enquêtes et d'analyses pour la sécurité de l'aviation civile (BEA), avec la participation de l'Air Accidents Investigation Branch britannique, et les moteurs y occupent une place importante, comme victimes de l'événement, non comme sa cause.

Pendant la course au décollage, après V1, un pneu du train principal gauche roula sur une lamelle métallique tombée d'un DC-10 parti cinq minutes plus tôt. Le pneu fut détruit, et le BEA conclut que l'impact d'un morceau de pneu provoqua l'arrachement d'une partie importante du réservoir 5. Le carburant qui fuyait s'enflamma et un feu important se déclara sous l'aile gauche.

Les deux moteurs de gauche se trouvaient juste derrière ce feu. Selon le BEA, les moteurs 1 et 2 subirent simultanément un pompage, entraînant une légère perte de poussée sur le moteur 1 et une forte perte sur le moteur 2 ; le rapport attribue le pompage du moteur 1 vraisemblablement à une ingestion de gaz chauds ou de débris solides, probablement des morceaux de pneu, et celui du moteur 2 à l'ingestion de gaz chauds dus à l'incendie. Le moteur 1 retrouva une poussée presque nominale, puis pompa de nouveau au moment du décollage, de même que le moteur 2. L'alarme feu du moteur 2 retentit, l'officier mécanicien navigant annonça la coupure, la manette fut mise au ralenti et la poignée coupe-feu actionnée.

Le train ne rentrant pas et la poussée étant insuffisante, l'avion ne pouvait ni monter ni prendre de la vitesse. Un troisième pompage, dû à l'ingestion de morceaux de structure, de gaz chauds et/ou de kérosène, entraîna une perte de poussée définitive du moteur 1 ; la perte de poussée des moteurs 3 et 4 qui suivit résulta de leur mise volontaire au ralenti combinée à un pompage dû à une distorsion de la veine d'air. Le BEA constata aussi que l'entretoise du boggie gauche n'avait pas été remontée lors d'une opération de maintenance, et conclut que cet oubli n'avait pas contribué à l'accident. Il indiqua que, même avec des moteurs fonctionnant normalement, les dégâts importants causés par le feu auraient rapidement conduit à la perte de l'avion.

Les causes probables retenues par le BEA sont la destruction du pneu par la lamelle métallique, l'arrachement du réservoir et l'inflammation du carburant qui fuyait, par un arc électrique dans le puits de train ou au contact des parties chaudes du moteur, provoquant un feu très important et de fortes pertes de poussée des moteurs 2 puis 1. Concorde reprit le service en novembre 2001 après des modifications de l'avion.

Les premiers moteurs construits pour le programme furent deux Olympus 593D, achevés en juillet 1964. Le D signifiait « derivative » : proches parents du moteur du TSR-2, ils devaient valider les idées dont dépendait le moteur civil, avant tout le refroidissement des aubes fixes et mobiles de turbine et le fonctionnement prolongé à haute température. Ils le firent, et ils montrèrent aussi que le moteur était trop petit : Concorde avait grandi depuis que le 593D avait été dimensionné pour lui.

La réponse fut le 593B, B pour « big », qui tourna pour la première fois en novembre 1965. C'était une nouvelle conception, nourrie des résultats d'essais du D, et la lettre finit par disparaître de la désignation. En parallèle, la Snecma essaya des maquettes à l'échelle du système d'éjection à l'aide d'un Olympus 301 et, en juin 1966, le premier Olympus 593 complet avec son éjection à géométrie variable tourna à Melun-Villaroche. Le moteur entra pour la première fois dans le caisson d'altitude de Saclay en avril 1967.

La masse de l'avion ne cessa d'augmenter pendant la conception et, lorsque les chiffres furent arrêtés, la poussée au décollage nécessaire à Concorde dépassait d'environ 20 % ce que le moteur pouvait fournir à sec. Plutôt que de tout reprendre, l'équipe ajouta une postcombustion partielle, développée par la Snecma. Il ne s'agissait pas d'une postcombustion au sens militaire, un surcroît massif et gourmand en carburant, mais d'un complément mesuré pour le décollage et le passage du domaine transsonique ; l'avion volait en croisière sans elle.

Le moteur vola bien avant Concorde. À Bristol, un Avro Vulcan de la RAF fut transformé en banc d'essai volant, un Olympus 593 complet et sa nacelle suspendus sous la soute à bombes. Le Vulcan ne pouvant dépasser Mach 0,98, le haut du domaine supersonique resta l'affaire des bancs au sol, mais lors de ces essais le 593 atteignit 35 190 lbf, au-delà de sa spécification. En janvier 1968, le Vulcan totalisait 100 heures de vol et l'ensemble d'éjection avait été autorisé à Melun-Villaroche pour le vol sur les prototypes de Concorde.

Olympus 593-602B

Les prototypes volèrent avec l'Olympus 593-22R ; le Science Museum de Londres conserve un moteur Mark 3B, numéro de série 59351, construit par Rolls-Royce à Derby vers 1969 et provenant du prototype britannique, le Concorde 002. Les avions de série reçurent le Mk 610, dont le standard définitif, le 593-610-14-28, est le moteur que les compagnies exploitèrent pendant vingt-sept ans. Des standards intermédiaires, comme le 593-602, firent la transition ; un 602B est conservé à l'université de Cranfield.

Une version supplémentaire ne dépassa jamais le stade de la proposition. Le Mk 622 devait être plus silencieux et plus puissant, sans postcombustion et avec une vitesse d'éjection réduite pour abaisser le bruit, et assez économe pour ouvrir des routes à travers le Pacifique et au-dessus des États-Unis. Il faisait partie du projet de Concorde « B » et disparut avec le carnet de commandes de l'avion.

Concorde pratiquait la « supercroisière » au sens propre : il volait en supersonique pendant des heures sans postcombustion. Celle-ci était allumée au décollage, puis pour le passage transsonique, d'environ Mach 0,95 à Mach 1,7 ; au-delà, les moteurs à sec suffisaient, et l'avion s'établissait en croisière à Mach 2,02. Ce qui le permettait tenait moins à l'Olympus seul qu'au système dans lequel il était installé, et les chiffres montrent combien le mérite était partagé. En croisière, la poussée propre du moteur, transmise par ses attaches, ne représentait qu'environ 8 % de la poussée totale de l'ensemble propulsif. Près de 63 % provenaient de la pression exercée vers l'avant sur les parois internes de l'entrée d'air, et l'essentiel du reste de la pression sur la tuyère.

L'entrée d'air, conçue par la British Aircraft Corporation, devait fournir au compresseur un air à la pression la plus élevée et la plus homogène possible, à toutes les vitesses, de l'arrêt à Mach 2. En supersonique, des rampes articulées au plafond du conduit rectangulaire déviaient l'écoulement et créaient un système d'ondes de choc obliques, ralentissant l'air par paliers plutôt qu'en un seul saut coûteux. Une fente dans la rampe aspirait la couche limite épaissie et la dérivait autour du moteur ; des portes de décharge évacuaient l'air en excès lorsque le moteur était réduit ; et, une entrée dimensionnée pour la croisière étant trop petite pour le décollage, une porte d'entrée d'air auxiliaire s'ouvrait pour alimenter le moteur à basse vitesse. En croisière à Mach 2, l'entrée d'air élevait à elle seule la pression dans un rapport d'environ 7,3 pour 1.

Maintenir tout cela dans la bonne position relevait autant de la régulation que de l'aérodynamique. L'ensemble propulsif devait supporter à Mach 2 les ressources, les dérapages, les mises en piqué et les manettes brutalement déplacées sans pomper, et les ensembles voisins interagissaient si fortement au-dessus de Mach 1,6 que Concorde dut être certifié, du point de vue aérodynamique, comme un biréacteur au-delà de cette vitesse. La régulation analogique n'était pas assez précise et, vers 1972, tard dans le programme, la division Electronics and Space Systems de BAC à Filton mit au point des calculateurs numériques de contrôle d'entrée d'air pour positionner les rampes et les portes de décharge. Ils programmaient aussi le régime moteur afin de préserver la marge au pompage, et ils étaient reliés à des capteurs situés près du nez, à quelque 190 ft, par des liaisons de données série multiplexées, l'un des premiers usages de bus de données numériques sur un avion de ligne, et une économie considérable de câblage et de tuyauteries pneumatiques.

À l'arrière, la tuyère primaire variable du moteur débouchait dans une tuyère secondaire fixée à la cellule et développée par la Snecma. Ses deux « paupières » se déplaçaient selon la phase de vol. En croisière, elles s'ouvraient entièrement et formaient avec la tuyère primaire un éjecteur : le jet du moteur entraînait l'air secondaire prélevé à l'entrée d'air dans un passage divergent, et la détente poussait vers l'avant sur les parois de la tuyère.

Fermées dans le jet, ces mêmes paupières devenaient l'inverseur de poussée, renvoyant les gaz vers l'avant pour aider l'avion à ralentir après l'atterrissage. Un seul ensemble de pièces mobiles servait de tuyère de détente supersonique, d'éjecteur subsonique et d'inverseur, et l'arrière de chaque nacelle, visible sur tous les Concorde préservés, n'est autre que ce mécanisme au repos.

Parce que Concorde a été préservé presque en totalité : la quasi-totalité des cellules survivantes ont rejoint des musées, l'Olympus 593 est l'un des réacteurs les plus exposés au monde, à la fois dans les nacelles des avions conservés et comme pièces séparées.

Au Royaume-Uni, des exemplaires sont exposés à côté ou sous des Concorde au musée de Brooklands, dans le Surrey, près de G-BBDG, et à Aerospace Bristol, à Filton, qui abrite G-BOAF, le dernier Concorde à avoir volé.

Le Fleet Air Arm Museum de Yeovilton en présente un sous l'aile du prototype britannique, le Concorde 002. D'autres sont exposés au National Museum of Flight d'East Fortune, en Écosse, au Newark Air Museum et au RAF Museum de Cosford, tandis que l'université de Cranfield conserve un 593-602B dans son bâtiment Whittle.

Le Science Museum de Londres conserve le moteur 59351, un Mark 3B provenant du Concorde 002, entré dans ses collections en 1977.

En France, le musée patrimonial de Safran expose le moteur aux côtés des autres productions du groupe, et le musée de l'aviation de Corbas, près de Lyon, présente deux exemplaires venus de la base aérienne de Romorantin. Hors du Royaume-Uni et de la France, le Technik Museum de Sinsheim, en Allemagne, qui expose aussi le Concorde F-BVFB d'Air France, présente un moteur dressé à la verticale avec sa section de postcombustion.

Sinsheim conserve aussi les quatre Olympus 593 déposés de F-BVFB lui-même, alignés sur leurs bâtis. Aux États-Unis, un exemplaire est exposé à côté de G-BOAD à l'Intrepid Museum de New York, et des moteurs sont présentés au Georgia Institute of Technology et à l'université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

Les nacelles des avions préservés racontent le reste : rampes d'entrée d'air, portes auxiliaires et tuyères à paupières sont encore visibles sur les Concorde du Bourget, de Duxford, de Seattle, du Udvar-Hazy Center et d'ailleurs.

Le retour en service de novembre 2001 ne rétablit pas l'équilibre économique de Concorde. Le 10 avril 2003, Air France et British Airways annoncèrent toutes deux le retrait de l'avion, invoquant la baisse des recettes et la hausse des coûts de maintenance. Airbus, détenteur du certificat de type, n'était pas disposé à soutenir la flotte au-delà d'octobre 2003.

Air France assura son dernier vol commercial en Concorde à la fin du mois de mai 2003. British Airways suivit le 24 octobre 2003, et le tout dernier vol d'un Concorde eut lieu le 26 novembre 2003, lorsque G-BOAF rejoignit Filton : le terrain où il avait été construit, à quelques kilomètres de l'endroit où l'Olympus avait été mis au point.

Le moteur n'eut pas de descendant direct. Le Mk 622 et le Concorde « B » furent abandonnés dans les années 1970, et aucun avion de ligne supersonique ne suivit. Ses leçons, elles, durèrent : l'idée qu'en supersonique l'entrée d'air, le moteur et la tuyère forment un seul système propulsif ; les débuts de la régulation numérique d'entrée d'air et des bus de données ; et, moins heureusement, la démonstration que l'avenir d'un avion de ligne supersonique se jouerait autant sur le bruit que sur la vitesse.

La famille Olympus survécut aussi à son membre le plus célèbre, restant en service sous forme de turbines à gaz marines et industrielles longtemps après le dernier atterrissage de Concorde.